不同白樺家系的耐熱性評價

李金霞 儲博彥 趙玉芬 尹新彥 趙振峰

摘要：以8個白樺家系為試驗材料，在大田栽植的條件下，測定其在5—9月葉片的相對電導(dǎo)率、MDA含量、SOD活性和可溶性蛋白含量共4個生理指標(biāo)，并利用隸屬函數(shù)法對其越夏期的耐熱性進行綜合評價。結(jié)果表明，4個生理指標(biāo)均表現(xiàn)出與氣溫變化的正相關(guān)，8個家系均能在石家莊地區(qū)安全越夏，但耐熱性有差異，其中家系CD和1-41耐熱性最強，家系1-59和1-46的耐熱性最差。

關(guān)鍵詞：白樺;家系;耐熱性;綜合評價

中圖分類號： S792.153.01;Q945.78 ?文獻標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）17-0148-05

溫度是影響植物生長發(fā)育的重要因子。在植物引種過程中，從高緯度向低緯度、高海拔向低海拔引種，夏季高溫成為引種成功與否的重要限制因子，而在城市綠化中，由于城市熱島效應(yīng)的存在以及全球氣候變暖的加劇，城市園林綠化也迫切需要新的耐熱型植物品種。因此研究植物在越夏期高溫下的生理生化反應(yīng)，以耐熱性為評價指標(biāo)對引種植物的抗逆性進行評價，有助于篩選出優(yōu)良的耐熱型植物品種，對豐富城市園林景觀也具有重要意義。

白樺（Betula platyphylla Suk.）為樺木科樺木屬落葉喬木，其枝葉輕盈，秋葉金黃，樹皮潔白雅致，在園林景觀配置中具有獨特的觀賞效果。耐熱型白樺屬于高海拔樹種，喜冷涼濕潤氣候。關(guān)于白樺的抗逆性生理已有部分研究，但多集中在抗干旱[1]和抗低溫脅迫[2-3]方面。有學(xué)者對耐熱型白樺的種子篩選[4]、栽培基質(zhì)[5]和育苗[6]、栽培技術(shù)[7]進行了研究，并在人工培養(yǎng)箱內(nèi)對白樺幼苗進行高溫脅迫試驗[8-9]。然而植物的耐熱性是其在夏季自然條件下經(jīng)受多種復(fù)雜因素脅迫的綜合表現(xiàn)[10]，目前對大田栽植條件下的白樺幼苗在越夏期的生理表現(xiàn)尚未見報道。為豐富石家莊城市綠化的樹種選擇，2015年從東北林業(yè)大學(xué)和承德共引進耐熱型白樺家系8個，并于2017年進行田間耐熱性測定，以期篩選出最具耐熱潛力的優(yōu)良家系，從而為白樺在石家莊的引種奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2015年從東北林業(yè)大學(xué)引進耐熱型白樺優(yōu)良家系7個（1-39、1-41、1-46、1-54、1-59、1-56、2-5），從承德引進耐熱性白樺家系1個（CD），共計8個家系。2015年春季進行育苗，2016年春季分栽于河北省林業(yè)科學(xué)研究院試驗基地，試驗期間進行相同的常規(guī)栽培管理。

1.2 試驗地點

試驗地點位于石家莊市河北省林業(yè)科學(xué)研究院試驗基地（114°28′34.03″E、38°8′25.67″N），試驗期間氣溫情況見表1。

1.3 試驗方法

2017年5月在8個白樺家系中各選出3株高度與基徑接近平均值的標(biāo)準(zhǔn)株，分別于5月13日、6月16日、7月11日、8月25日和9月21日的14：00取標(biāo)準(zhǔn)株枝條中上部成熟葉片，對其進行田間耐熱性測定，所有測定均重復(fù)3次。測定當(dāng)天及前2 d均為晴天，具體氣溫見表1。測定指標(biāo)包括相對電導(dǎo)率、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、可溶性蛋白含量，其中MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定，SOD活性采用氮藍四唑（NBT）光還原法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定。

1.4 耐熱性評價

采用隸屬函數(shù)法對不同白樺家系的耐熱性進行綜合評價。與耐熱性呈正相關(guān)的參數(shù)采用式（1）進行計算，與耐熱性呈負相關(guān)的參數(shù)采用式（2）進行計算。

式中：U（Xijk）為第i個家系第j個月份第k項指標(biāo)的隸屬度，且U（Xijk）∈[0，1]，Xijk為第i個家系第j個月份第k項指標(biāo)的測定值，Xkmin和Xkmax分別為所有家系中第k項指標(biāo)的最小值和最大值。用每個家系各項指標(biāo)隸屬度的平均值作為評價其耐熱性的依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同白樺家系相對電導(dǎo)率的月變化

相對電導(dǎo)率能夠反應(yīng)逆境對植物組織的傷害程度，是比較理想的植物抗逆性鑒定的生理指標(biāo)之一[10]。由表2可以看出，5—9月不同白樺家系相對電導(dǎo)率均表現(xiàn)為先升高后下降，與氣溫表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。5月，不同白樺家系的相對電導(dǎo)率在9.12%～17.20%。7月，所有白樺家系電導(dǎo)率均達到最大值，與5月相比，家系1-59的增長率最大，為155.68%，同時也是7月電導(dǎo)率值最大的家系，說明該家系膜結(jié)構(gòu)的受損程度最大。8、9月，當(dāng)氣溫下降后，所有家系相對電導(dǎo)率也隨之降低。

2.2 不同白樺家系MDA含量的月變化

MDA含量是植物是否氧化過度的判定標(biāo)準(zhǔn)，MDA含量越高，說明質(zhì)膜受損越嚴重。5—9月不同白樺家系MDA含量表現(xiàn)為先升高后下降，除家系2-5和1-59在8月MDA含量最高外，其余家系均在7月達到最大值。5月，不同白樺家系的MDA含量在4.06～16.50 nmol/g，其中家系1-56和CD的MDA含量明顯低于其他家系，但在7月的增長率卻明顯高于其他家系，分別達到5月的5.39倍和5.56倍，說明氣溫的升高對這2個白樺家系MDA含量的積累影響更為明顯。9月氣溫下降后，MDA含量也隨之降低，但除家系 1-39外，其他家系均不能恢復(fù)到5月份的水平，尤其是家系1-56和CD（表3）。

2.3 不同白樺家系SOD活性的月變化

SOD是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的關(guān)鍵酶，在保護細胞免受氧化損傷過程中具有十分重要的作用。5月，不同白樺家系的SOD活性在 294.7～441.4 U/（g·h），6月氣溫為34.8 ℃時，與5月增長幅度不大，但在7月氣溫達到 38.8 ℃ 時，所有家系的SOD活性均成倍數(shù)增加，達到2 101.7～3 265.1 U/（g·h），8、9月氣溫下降，高溫脅迫得到緩解，SOD活性也隨之降低，但仍維持在較高的水平（表4）。

2.4 不同白樺家系可溶性蛋白含量的月變化

可溶性蛋白是植物細胞內(nèi)常見而有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，耐熱植物在高溫脅迫下可保持較高的蛋白質(zhì)合成速率和較低的蛋白質(zhì)降解速率[11]，從而維持較高的可溶性蛋白含量。從表5可以看出，不同白樺家系的可溶性蛋白含量差異較大，5—9月家系1-41可溶性蛋白含量平均值最高，為16.61 mg/g，家系 1-46 最低，為7.17 mg/g。除家系1-54外，其余均在7月達到最大值，表現(xiàn)出與氣溫變化的正相關(guān)。

2.5 不同白樺家系耐熱型的綜合評價

采用隸屬函數(shù)法，對每個家系各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值求平均值，以此為據(jù)對其耐熱性進行評價。對與耐熱性呈負相關(guān)的相對電導(dǎo)率和MDA含量采用公式（2）進行計算，對與耐熱性呈正相關(guān)的SOD活性和可溶性蛋白含量采用公式（1）進行計算，計算結(jié)果見表6。從表6評價結(jié)果可以看出，家系CD和1-41的耐熱性最強，而家系1-59和1-46的耐熱性最差。

3 結(jié)論與討論

細胞膜是植物細胞與外界環(huán)境的屏障，維持著細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性，當(dāng)植物處于逆境時，細胞膜受到損傷往往會導(dǎo)致膜透性增大，電解質(zhì)從細胞內(nèi)滲透出來，引起組織浸出液電解質(zhì)濃度隨之增高，相對電導(dǎo)率升高。因此，相對電導(dǎo)率反應(yīng)了細胞膜的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于多種植物的耐熱性鑒定，電導(dǎo)率越大，說明細胞膜受到的傷害越大，其耐熱性就越弱[9，11-14]。在本試驗中，5—7月，不同白樺家系的電導(dǎo)率均隨著氣溫的升高而增加，然而不同家系的變化幅度不同，說明家系間的耐熱性差異在細胞膜透性的增加幅度上表現(xiàn)較為明顯。7月過后，氣溫下降，電導(dǎo)率也隨之降低，說明在石家莊地區(qū)，7月高溫并沒有使白樺各家系的細胞膜發(fā)生不可逆的損傷。

MDA是膜脂過氧化作用的產(chǎn)物，其含量可以表示膜脂過氧化的程度和植物對逆境條件反映的強弱。許多研究表明，MDA含量與植物的耐熱性呈現(xiàn)出負相關(guān)，在高溫脅迫下，耐熱性強的植物，仍能維持較高的保護酶活性，清除活性氧的能力較強，MDA積累較少;而耐熱性弱的植物，當(dāng)受到重度的高溫脅迫時，則易造成大量的MDA等有害物質(zhì)的積累[11-16]。本研究結(jié)果與其他學(xué)者研究較為一致，5—7月隨著氣溫升高，6個白樺家系的MDA含量逐漸積累，在7月氣溫最高時達到最大值。之后隨氣溫下降，MDA含量逐漸降低。然而家系1-59和2-5的MDA含量卻在8月達到最大值，9月有所降低，這一現(xiàn)象可能是受到復(fù)雜的大田環(huán)境的影響，原因有待進一步研究。

高溫脅迫引起的膜脂過氧化過程中，氧自由基O-2·、H2O2等有毒物質(zhì)的產(chǎn)生速度與保護酶系統(tǒng)在高溫下的活性共同決定著植物的耐熱性[17]，而SOD是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的關(guān)鍵酶，它可以減輕膜脂過氧化程度，保持膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本研究中，隨著氣溫升高，6月所有家系SOD活性增長幅度較小，然而到了7月，均出現(xiàn)呈倍數(shù)增加，說明白樺在高溫脅迫下，會通過增強SOD活性，來減輕植物體內(nèi)活性氧平衡的破壞，提高對高溫的適應(yīng)性。這與胡佳佳等對屋頂綠化植物的耐熱性評價結(jié)果[18]相一致。

作為植物細胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可溶性蛋白對細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定具有重要的作用[19]。研究表明，高溫導(dǎo)致氮素代謝失調(diào)是植物生長受到影響的一個重要原因[11]。耐熱性較強的植物在高溫條件下合成蛋白質(zhì)的速率較高，降解速率較低。本研究中，雖然不同白樺家系可溶性蛋白含量變化均表現(xiàn)出與氣溫的正相關(guān)性，夏季高溫使白樺各家系保持較高的蛋白質(zhì)合成速率和較低的降解速率，氣溫降低后，又基本回歸到正常狀態(tài)。但不同家系間的含量差異較大，且在不同月份的變化幅度也表現(xiàn)出差異性。

目前大多學(xué)者對植物耐熱性的研究多是在人工氣候培養(yǎng)箱中模擬高溫脅迫，這種各因素可控的試驗條件難以準(zhǔn)確反映出自然界的復(fù)雜環(huán)境對植物生長的影響，同時由于植物不同品種之間潛在的耐熱性差異需經(jīng)過一定的熱鍛煉才能充分表現(xiàn)出來[20]，因此不能夠準(zhǔn)確地反映植物的耐熱性。本研究通過大田試驗，在自然環(huán)境下進行，8個白樺家系經(jīng)過順應(yīng)氣候的熱鍛煉，能夠真實表現(xiàn)出各自耐熱性的強弱。目前在植物耐熱性研究中，溫度梯度的設(shè)置多為單調(diào)升高，但是對高溫脅迫后溫度降低時植物的生理反應(yīng)則報道較少，本研究當(dāng)中，8、9月氣溫降低，各個家系的4個生理指標(biāo)均有不同程度的恢復(fù)，說明在石家莊地區(qū)，7月高溫并未對白樺的生長造成不可逆的傷害。

耐熱性是植物在夏季經(jīng)受多種因素脅迫下的一種綜合表現(xiàn)，是一個綜合性指標(biāo)，而且不同植物家系品種在耐熱機制上也存在差異[21]，因此使用單一指標(biāo)并不能全面地反應(yīng)植物的耐熱性強弱，而應(yīng)該使用多個指標(biāo)進行綜合評價。本研究通過隸屬函數(shù)法，以相對電導(dǎo)率、MDA含量、SOD活性和可溶性蛋白含量為評價指標(biāo)，綜合評價了8個白樺家系的耐熱性。結(jié)果表明，8個白樺家系均能在石家莊安全越夏，其中家系CD和1-41耐熱性最強，家系1-59和1-46的耐熱性最差。

參考文獻：

[1]孫國榮，彭永臻，閻秀峰，等. 干旱脅迫對白樺實生苗保護酶活性及脂質(zhì)過氧化作用的影響[J]. 林業(yè)科學(xué)，2003，39（1）：165-167.

[2]楊德浩，楊敏生，王進茂，等. 歐洲白樺苗期低溫脅迫時膜系統(tǒng)的變化[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，32（6）：13-15.

[3]烏鳳章，王柏臣，劉桂豐，等. 低溫脅迫對白樺幼苗生長和生理的影響[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，36（9）：8-10.

[4]卜燕華，王永格，李子敬，等. 耐熱性白樺種子篩選研究[J]. 北京園林，2014，30（3）：30-33.

[5]王永格，卜燕華，李子敬，等. 不同栽培基質(zhì)對耐熱白樺生長的影響[J]. 北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報，2014，29（3）：73-77.

[6]卜燕華，王永格，李子敬，等. 北京地區(qū)不同種源白樺育苗試驗初報[J]. 北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報，2015，30（1）：81-85.

[7]任春生，卜燕華，王永格. 耐熱白樺栽培技術(shù)[J]. 北方園藝，2016（24）：76-79.

[8]郝 征，張 鋼，李 亞. 不同高溫脅迫對白樺幼苗幾個生理生化指標(biāo)和電阻抗圖譜參數(shù)的影響[J]. 西北植物學(xué)報，2010，30（9）：1844-1851.

[9]李子敬，王永格，卜燕華，等. 北京園林綠化耐熱白樺種源篩選[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（16）：4635-4638，4646.

[10]王 濤，田雪瑤，謝寅峰，等. 植物耐熱性研究進展[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，28（5）：719-726.

[11]郭思佳，馮永文，王 兵，等. 4種野生地被植物的耐熱性試驗[J]. 西部林業(yè)科學(xué)，2015，44（4）：96-99，104.

[12]歐祖蘭，曹福亮，鄭 軍. 高溫脅迫下銀杏形態(tài)及生理生化指標(biāo)的變化[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，32（3）：31-34.

[13]施 曼，祝遵凌. 越夏期不同歐洲鵝耳櫪品種耐熱性評價[J]. 西北林學(xué)院學(xué)報，2015，30（6）：59-64.

[14]胡偉娟，張啟翔，潘會堂，等. 報春花屬植物耐熱性生理指標(biāo)研究初探[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2010，26（5）：158-163.

[15]張文娟，李連國，郭金麗，等. 高溫脅迫下6種景天植物的形態(tài)特征及生理響應(yīng)[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，33（4）：41-45.

[16]李長林，楊守坤，金 莉，等. 高溫脅迫對北美海棠金吉麗和特麗的生理指標(biāo)影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2014，30（10）：170-173.

[17]劉祖祺，張石城. 植物抗性生理學(xué)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1994.

[18]胡佳佳，裴宗平，劉 田，等. 幾種常用屋頂綠化植物的耐熱性評價[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34（1）：187-190，205.

[19]袁啟鳳，李仕品，嚴佳文，等. 不同貯藏溫度對火龍果紫紅龍可溶性蛋白質(zhì)含量和抗氧化酶活性的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（2）：194-197.

[20]Paulsen G. Application of physiology in wheat breeding[J]. Crop Science，2002，42（6）：2228.

[21]張朝陽，許桂芳. 利用隸屬函數(shù)法對4種地被植物的耐熱性綜合評價[J]. 草業(yè)科學(xué)，2009，26（2）：57-60.